基于電磁儲能的電網新能源消納能力仿真分析

韓叢宇，石 勇

(陜西科技大學電氣與控制工程學院，陜西 西安 710021)

1 引言

近幾年，環境和能源安全問題備受關注，化石能源日漸枯竭，而且使用化石能源時會產生二氧化碳、粉塵、硫化物、氮氧化物等污染問題，隨著光電、風電等新能源電力系統的廣泛應用，電網新能源消納能力的研究也逐漸成為了熱點問題。

梁海平等人[1]提出了一種基于改進FPA算法的配電網光伏消納能力評估方法，該方法研究了電網分布式光伏電源的接入對電能質量、網損及短路容量的影響，將網損最小作為目標函數、電壓偏差和電壓波動作為約束條件，建立電網消納能力模型，實驗證明該方法具有一定的可行性，但是由于計算量較大，導致系統響應時間較長。孫偉卿等人[2]提出一種基于有效容量分布的互聯系統風電消納能力評估方法，該方法綜合考慮了電-網-負荷各個環節對消納能力的影響，以有效容量為基礎，運用隨機生產模擬法獲得消納能力評估的可靠性指標，通過計算各互聯系統的支援電量、發電量、支援概率等指標完成風電消納能力評估全過程，但是該方法只針對風電消納能力進行分析，具有一定的局限性。

針對上述方法存在的問題，本文提出基于電磁儲能的電網新能源消納能力仿真分析方法。通過電磁儲能方式選擇更為環保實用的超級電容，并采用改進后的三支路模型對其進行精準建模，最后通過分析和計算電網的調峰值完成消納能力評估全過程。

2 電磁儲能過程研究

電磁儲能包括超級電容儲能[3]和超導磁儲能[4]等。超導磁儲能主要將電能通過電磁能的形式儲存在線圈中，其原理為電磁感應，將超導線圈置于磁場中，線圈周圍溫度低于線圈自身的臨界溫度時，將磁場撤去，此時線圈之中將產生感應電流。若環境溫度始終保持在線圈臨界溫度之下，則線圈中產生的感應電流就會一直持續。超導磁儲能的主要依據為電磁感應[5]，污染較小，并且在超導狀態下線圈電阻趨近于零。但是這種電磁儲能方式的投資過大，成本較高，導致其在實際應用過程中受到限制。

超級電容儲能是近幾年新興的一種電磁儲能方式。其響應速度較快，具有較高的負荷響應特性、功率密度較高，能夠在短時間內吸收或釋放大量電能、成本較低且后期維護費用也相對較低。

由于超級電容儲能的實用價值更高，因此本文以超級電容儲能作為電網電磁儲能的理論基礎，構建電磁儲能模型。電容器電化學溶液中的物質由于性質不同會產生共價力、庫侖力等，在這些不同力的作用下，為使系統的電化學力保持平衡，電荷會自發的重新分配，從而在電極和溶液的接觸面形成正負電荷層，因此將這類電容器稱為雙層電容[6]。

兩個極板接入外加直流電壓后，分別會攜帶極性相反的兩種電荷，因此稱它們為陽極板和陰極板。當兩種電極板和電解液接觸時，電解液中的正電荷受到吸引會依附在陽極板表面，負電荷受到兩個極板產生的作用力發生定向運動依附在陰極板表面。電解液中正負離子和依附在電極板表面的正負電荷之間存在位壘，使得兩種電荷不能越過位壘進行中和，只能在電極表面排列成一層，實現電能的存儲。雙電層電容器電容量計算公式如下

(1)

式中，C表示電容量，ε表示電解液介電常數，S表示電極板和電解液的接觸面積，d表示正負電極板間距。

超級電容的內部結構較為復雜，為能夠更好的反映出電容器在工作過程中不同時間段內特征動態變化過程，采用三支路模型對其進行精確建模，三支路模型如圖1所示。

圖1 三支路模型

當超級電容的端電壓低于額定電壓的40%時，三支路模型的性能會受到較大影響，因此進一步對其進行改進，如圖2所示。

圖2 改進三支路模型

超級電容的恒流放電[7]電路圖如圖3所示。

圖3 電容器恒流放電電路圖

圖3中，表示等效端電壓，UC表示電容器電壓，I表示電流，R0表示負載電阻[8]，K表示開關。超級電容在不同時間段的恒流放電曲線如圖4。

圖4 超級電容恒流放電曲線圖

超級電容在時刻之前已充電至額定電壓，在時刻對電阻恒流放電進行控制，并記錄出放電前后的電壓突變量u3及t1時刻電容自身電壓u1和t2時刻電容自身電壓u2。根據圖3和圖4對三支路模型的三個參數進行辨識。

1)等效電容值

當超級電容對電阻放電時，放電的電荷量可以表示為

Q0=It

(2)

電容器儲存的電荷量和電壓之間的關系數學表達式為

Qc=CU

(3)

根據式(2)、式(3)可計算出等效電容值如下

(4)

2)等效串聯電阻

如圖3，當開關K斷開時，由于電容器自身的漏電抗放電過程較為緩慢，因此可以將電容器的等效電壓近似為不變。當開關K閉合后，超級電容向電阻放電，則

UC=U-I·RES

(5)

等效串聯電阻會導致電容的端電壓放電瞬間發生突變，根據圖4的放電曲線圖可得等效串聯電阻為

(6)

3)等效并聯電阻

超級電容的等效并聯電阻測量電路如圖5所示。

圖5 等效并聯電阻測量電路

圖5中，E表示直流電壓，其大小和電容器的額定電壓相同；R5表示測試電阻，通常情況下，其阻值較小以減少電路損耗。通過電壓表對測試電阻的電壓進行測試，則可以獲得此時電路中電流如下

(7)

根據式(6)獲得的串聯電路電阻，可近似求得電容器的等效并聯電阻如下

(8)

為確保測量準確性，直流電源E的電壓波動不可以超過±0.01v。

3 電網新能源消納能力分析

在電磁儲能模型的基礎上，對其新能源消納能力進行分析。新能源消納能力與常規機組調峰能力有直接關系，也就是說常規機組能否降到最低出力，將直接影響到新能源消納能力。但是，若一味的降低常規機組出力則會造成電網運行成本明顯上升，并且會導致常規機組出力不穩，從而對發電質量產生影響，因此在保持調峰能力不發生較大幅度提高的前提下，能否對系統調峰裕度進行有效利用，在提高消納電量方面有著重要意義。

新能源消納原理如圖6所示。

圖6 新能源消納原理圖

從圖6中可以看出，新能源消納空間在負荷曲線和機組最低出力二者之間，即常規機組的調峰裕度。從理論上講，若新能源出力可以將這一區間充滿，則可以實現電網最大消納電量，但是由于新能源存在出力不確定性，在出力值低于調峰裕量時依然需要將常規電源出力提高，以保持電力平衡。因此，若能夠實現消納空間密集出力，則能夠有效的將消納電量提高，且基礎出力越密集，電量越多。

不同裝機容量的棄新能源比例變化情況如圖7所示。

圖7 不同新能源裝機容量下的棄新能源比例

從圖7中可以看出，棄新能源比例隨著裝機容量的增加而不斷上升。

電能的生產、輸送、分配和使用是同時完成的，因此要求電網在滿足電力系統基本負荷的同時，還需要根據電力負荷變化調節生產，即調峰。調峰的主要原因是為了符合峰谷變化按照一定速度對發電機負荷進行調整。從時間周期角度考慮，一般情況下調峰以24小時作為周期日行為，系統的調峰能力如圖8所示。

圖8 調峰能力示意圖

圖8中，PLmax表示日最大負荷，PLmin表示最小負荷，PGmax表示高峰負荷時可調機組出力，PGmin表示機組最小出力，PLmax-PLmin表示負荷峰谷差，PGmax-PGmin表示調峰能力，備用負荷則可以用PGmax-PLmin來表示。若要保證電力系統的安全運行，負荷峰谷差要小于系統調峰能力。

除了通過新能源發電機組降低出力深度和啟停調峰，還可以采用聯網線路調峰及拉閘、中斷負荷等方法負控調峰。調峰需求是由負荷峰谷差和備用負荷兩個部分組成，一般情況下，備用容量按負荷備用和旋轉事故備用考慮，本文分析過程中旋轉備用取10%，負荷備用取2%，事故備用取8%。地區電網一般屬于受端電網，其調峰很大程度上只能依靠電網的調峰能力，因此在地區電網負荷高峰時，可對機組地區出力進行調節，其計算方法如下

PG=PLmax×(1+X)-PZ-0.8PR

(9)

式(9)中，PG表示在負荷高峰時機組區域出力；PLmax表示電網地區的最大負荷；X表示負荷備用系數；PZ表示電網自備出力；PR表示地區電網供熱機組出力。供熱機組額定功率在80%左右，并且不參與調峰。可調機組的最小出力可用式(10)進行計算。

PGmin=PG×(1-S)

(10)

式中，S表示綜合調峰系數，該系數與電源結構相關，則電網的調峰能力計算公式如下

PTF=PG-PLmin

(11)

新能源發電因多種因素導致其具有反調峰特征，例如在風力發電時，風速變化會使系統在低谷負荷時功率最大，在負荷高峰時功率較低的現象，風電反調峰特性如圖9。

圖9 風力發電反調峰特性

從圖9中可以看出，在低谷負荷時，風電滿發，高峰時，風電停發。

定義新能源出力為負負荷，等效負荷為電網總負荷與新能源出力之間的差值，等效曲線如圖10。

圖10 等效負荷曲線

從圖10中可以看出，新能源電力系統的反調峰特性導致電網的負荷峰谷差小于等效峰谷差，側面說明了新能源的峰谷差變大，加大了電網常規機組調峰難度。

電網的低谷負荷調峰能力指的是電網系統處于負荷低谷時，機組出力減去機組最小技術出力獲得的差值，其示意圖如圖11所示。

圖11 低谷負荷調峰能力示意圖

根據上文分析，新能源的消納能力主要由電網的調峰盈余決定，并且在對新能源電網的能力進行計算時，應將反調峰情況考慮在內。因此消納能力的計算公式如下

Px,tf=Py/K

(12)

式(12)中，Py表示調峰容量盈余。

4 仿真研究

為了驗證基于電磁儲能的電網新能源消納能力仿真分析方法在實際應用中的性能，進行一次仿真分析。首先要保證電磁儲能穩定性，設置電容器充電初期的電感電流為15A，充電一段時間后，使電流變為10A，保持一段時間后再恢復為15A，充電結束后，得出電感電流動態響應波形圖如圖12所示。

圖12 電感電流動態響應波形圖

從圖中可以看出在電容器充電的過程中，電流發生變化時，電磁儲能能夠快速的適應電流變化，且超調量更小，動態響應速度更快。

然后以某地區電力系統的實際數據為例，使用本文方法對其消納能力進行分析。該地區同一年份該地區典型日負荷曲線如圖13所示，同時通過該地區的電網調度系統統計的風電光伏出力數據獲得當年的年出力標幺值。

圖13 典型日負荷曲線

根據電源規劃，該地區機組裝機容量約為4361kW，其中水電裝機容量約為734kW。截止到上一年年末，該地區風電機組容量為978.14kW，光伏機組容量為487.96kW，風電和光伏機組容量比近似于2：1。由此可得該地區前一年的棄風比約為33.3%，棄光比例約為25.32%，說明該地區的新能源消納形勢較為嚴峻。

為了進一步驗證本文方法的有效性，對本文方法、文獻[1]方法和文獻[2]方法的新能源電能利用率進行對比分析，對比結果如圖14所示。

圖14 新能源電能利用率對比結果

根據圖14可知，隨著實驗次數的增長，文獻[1]方法和文獻[2]方法的新能源電能利用率波動較大，且文獻[1]方法新能源電能利用率在30%～65%之間，文獻[2]方法的新能源電能利用率在58%～80%之間，而本文方法的新能源電能利用率在85%以上，說明本文方法的新能源電能利用率較高，新能源消納能力較強。

5 結論

本文從電磁儲能的調峰能力方面對新能源消納能力進行了分析研究，實驗結果表明，本文方法得出的分析結果較為準確，新能源電能利用率較高。同時給出以下建議：

1)加強對風電功率的預測能力。風電合并后，電網的負荷性能是整個電網有效運行的基礎，因此隨風電出力特性進行有效的預測尤為重要。

2)改善電網的機組性能。改善機組性能或增加儲能裝置能夠有效調高電網在風電方面的調峰能力。

3)加強需求側管理。根據風電出力的實際情況對電荷進行實時控制，引導公眾合理用電意識，也有利于提高電網的經濟效益和運行穩定性。